CN109870142A - 一种线形光斑识别的掘进机机身位姿参数测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种掘进机机身位姿参数测量系统及其方法，包括激光发射器、激光探测标靶、激光探测标靶板、单片机、后续连接电路、输出接口与1个双轴倾角传感器组成。激光发射器发出扇形激光束，可投影成线形光斑。将激光探测标靶竖立安装在掘进机机身上，根据激光探测标靶上投影形成的线形光斑所在位置的刻度值读数即可知掘进机机身的偏距位移；将光敏探测元件点阵组成的激光探测标靶板平铺安装在掘进机机身上，根据激光探测标靶板上投影形成的线形光斑的横、纵刻度值读数即可知掘进机机身的偏距位移与航向角参数。利用掘进机机身上安装的一个双轴倾角传感器测量得掘进机机身的俯仰角与翻滚角参数，从而完成掘进机机身的各项位姿参数的测量。

Description

一种线形光斑识别的掘进机机身位姿参数测量系统及方法

技术领域

本发明涉及测量定位领域一种位置识别系统，特别涉及一种激光探测识别系统领域的掘进机机身位姿参数测量系统。

背景技术

测量定位技术与人类的实践活动密不可分，同时也随着社会的进步而不断发展和变革。

20世纪50年代以来，测量定位技术开始朝着电子化和自动化方向发展。随着各种光源(激光、红外光等)的相继出现，物理测距技术也得到了迅速的发展，出现了以激光、红外光和其它光源为载波的光波测距仪和以微波为载波的微波测距仪，电磁波测距仪的出现是测距方法的革命，开创了距离测量的新纪元。与传统的钢尺或基线尺的测量方法相比，它具有精度高、作业迅速、受气候、地形影响小等优点。大约与此同时，出现了电子技术与计算机技术，并很快被应用于测量学中，这不仅加快了测量计算的速度，而且还改变了测量仪器和方法，使测量定位工作更为方便和精确，随后，相继发展起来的空间技术、卫星遥感技术等也在测量定位领域广泛应用。各种测量定位技术的出现与应用，极大地扩大了测量定位领域，但是人们所掌握的测量定位技术相对于纷繁复杂、变化多端的自然环境仍具有种种局限性，新型的并能应用于特殊环境的测量定位技术一直是人们迫切的需要。

目前具备在三维空间中进行一维度的精确识别定位的技术有全站仪和卫星遥感技术。全站仪通过发射激光经过棱镜反射，再对发射回来的激光信号进行接收、处理和计算，对空间物体进行识别定位；卫星遥感技术通过卫星定位，来确定物体的位置。上述两种技术虽然理论上可以完成三维空间中任一维度的识别定位，但由于调节难度大、对工作人员要求较高、成本较高等缺点，而且由于仪器的精密性，易受恶劣环境的影响，具体实施有相当的困难。

本发明结合光学、电子和计算机技术，主要致力于解决在三维空间中进行一维度的精确识别定位的问题，并特别适合于黑暗等恶劣环境和长距离无接触的状况。

鉴于以上所述情况，本发明人经过不断的研究、设计，并经反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。

发明内容

本发明的主要目的在于，提供一种新的测量定位方法，使用激光作为传播介质，利用光学、电子和计算机知识，进行无接触的测量定位，克服传统的测量定位方式的劳动强度大、作业时间长和受工作环境影响大等局限性，为空间测量定位技术开辟更宽更特殊的应用环境和领域。

发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。当只测量掘进机机身的偏距位移参数时，依据本发明提出的一种形光斑识别的掘进机机身位姿参数测量系统及方法，包括激光发射器、激光探测标靶、单片机、后续连接电路、输出接口。其中，激光探测标靶通过后续电路与单片机相连接，该单片机和输出接口相连接。根据精度和长度要求，把多个光敏探测元件紧密单列均匀排列在电路板上组成单层的激光探测标靶。布置安装激光发射器，使其与激光探测标靶构成已知环境下的某种相互位置关系。在测量掘进机机身偏距位移位姿之前，将激光探测标靶竖直放置安装在掘进机机身上，根据激光探测标靶上投影的线形光斑距离激光探测标靶零点的刻度值读数即可知掘进机机身的偏距位移。同样，通过后续连接电路将激光探测标靶与单片机相连通过电信号感应出线形光斑位置，经过简单计算得到掘进机机身偏距位移的数字信息，经过输出接口可传送至其他有效设备。

发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。当需测量掘进机机身的各项位姿参数时，依据本发明提出的一种线形光斑识别的掘进机机身位姿参数测量系统及方法，包括激光发射器、激光探测标靶板、单片机、后续连接电路、输出接口与双轴倾角传感器。其中，激光探测标靶板通过后续电路与单片机相连接，该单片机和输出接口相连接。激光探测标靶板平铺安装在掘进机机身上，根据激光探测标靶板上投影的线形光斑距离激光探测标靶零点的横、纵刻度值读数即可直观得知掘进机机身的偏距位移与航向角参数。同样，由光敏探测元件点阵组成的激光探测标靶板可以感应出线形光斑的横向、纵向位移并产生电信号，电信号经后续电路和单片机处理解算可得出掘进机机身的航向偏角参数与偏距位移。同时利用安装在掘进机后机架上的双轴倾角传感器可得知掘进机机身的翻滚角与俯仰角参数，最后掘进机机身的位姿信息参数可通过输出接口传送至其它有效设备。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的一种线形光斑识别的掘进机机身位姿参数测量系统及方法，其中所述的激光发射器发出扇形激光束，在激光探测标靶或激光探测标靶板上形成线形光斑，扇形激光束有效射程距离为150米。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的一种线形光斑识别的掘进机机身位姿参数测量系统及方法，其中所述的激光探测标靶由单层线性布列的光敏探测元件电路板组成，每个光敏探测元件都对应唯一的逻辑通道编码，方便激光探测标靶的维护检修。

前述的一种线形光斑识别的掘进机机身位姿参数测量系统及方法，其中所述的激光探测标靶板由多个光敏探测元件点阵布满电路板组成，同一层上的每个光敏探测元件都有对应的唯一的逻辑编号，同一列的三个光明探测元件在一条线上且逻辑编号相同。

前述的一种线形光斑识别的掘进机机身位姿参数测量系统及方法，其中所述的单片机还包括寄存器和定时器。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的一种线形光斑识别的掘进机机身位姿参数测量系统及方法，其中所述的激光探测标靶的分辨误差小于5毫米，由于光敏探测元件之间的无间隔排列，相邻的两个光敏探测元件感光面中心之间的距离为10毫米，当光斑每移动5毫米，光斑一边的一个光敏探测元件就会由感光状态变成无感光状态，而光斑另一边的一个光敏探测元件则会由无感光状态变成感光状态。因此，激光探测标靶或激光探测标靶板对光斑位置的分辨误差小于5毫米。

前述的一种线形光斑识别的掘进机机身位姿参数测量系统及方法，其中所述的激光探测标靶是在仅需测量掘进机机身偏距位移时使用，激光探测标靶板是在测量掘进机机身各项位姿参数时搭配双轴倾角传感器使用，激光探测标靶板也可单个使用来测量掘进机机身的偏距位移与航向角参数，均可满足实际工况对测量精度的需求。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的一种线形光斑识别的掘进机机身位姿参数测量系统及方法，其中所述的激光探测标靶或激光探测标靶板具有数据保持功能，以保证所需的数据采集时间和数据稳定性。由于使用的光敏探测元件较多，需要相应一定的采集时间，为了保证充分地采集数据，系统设计提供了数据保持功能，利用大容量存储器件把一次的数据保存一定的时间，然后再替换保存当前下一次的数据；另外，数据保持功能可以防止因掘进机机身抖动而产生数据干扰，保证数据的有效性与稳定性。

本发明一种线形光斑识别的掘进机机身位姿参数测量系统及方法与现有技术相比，具有明显的优点与有益效果。借由上述技术方案,本发明提供的一种线形光斑识别的掘进机机身位姿参数测量系统及方法，可达到相当的技术进步性及实用性，并具有产业上的广泛利用价值，其至少具有下列优点：

(1)本发明提供了一种新的测量定位方法，即使用激光作为传播介质，利用光学和电子技术进行测量定位的方法。

(2)本发明一种线形光斑识别的掘进机机身位姿参数测量系统及方法，利用激光探测标靶或激光探测标靶板来感应扇形激光束形成的线形光斑，每个光敏探测元件传出的信号承载了一个串口通道信息，信号由单片机处理得出位置数据。这种方法具有精度高的优点，激光探测标靶对线形光斑位置识别误差小于5毫米。

(3)本发明一种线形光斑识别的掘进机机身位姿参数测量系统及方法，采用激光发射器发射激光的方法，由于激光的穿透能力较强，使得本系统具有150米的远距离标定作业能力。

(4)本发明一种线形光斑识别的掘进机机身位姿参数测量系统及方法，使用光敏探测元件形成一线形阵列组成激光标靶的形式，极大降低了器件的复杂程度，更加降低了维修检测成本。

(5)本发明一种线形光斑识别的掘进机机身位姿参数测量系统及方法，使用光敏探测元件点阵的形式组成激光标靶板，可以满足精度需求的前提下更加便捷的测量出掘进机机身的航向角参数与偏距位移，极大降低了掘进机机身位姿测量工程的复杂程度。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

图1是本发明系统图；

图2是本发明激光探测标靶示意图

图3是本发明激光探测标靶板示意图

图4A是本发明系统测量掘进机机身偏距位移参数示意图

图4B是本发明系统测量掘进机机身各项位姿参数示意图；

图5A是本发明测量掘进机机身偏距位移的数学模型示意图

图5B是本发明测量掘进机机身各项位姿的数学模型示意图

图中：

1：激光发射器 2：激光探测标靶

3：单片机 4：后续连接电路

5：双轴倾角传感器 6：输出接口

7：光敏探测元件 8：掘进机

9：激光探测标靶板 10：掘进机后机架

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种线形光斑识别的掘进机机身位姿参数测量系统及方法的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实施例的详细说明中将可清楚呈现。通过具体实施方式的说明,当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

本发明较佳实施例的掘进机机身位姿参数测量系统及其方法，如图1、图2、图3所示，由激光发射器1、激光探测标靶2、单片机3、后续连接电路4、双轴倾角传感器5、输出接口6、激光探测标靶板9组成。该系统利用激光探测识别技术，通过对激光线形光斑的位置识别而与激光发射器建立相互位置对应关系，可以实现以激光为媒介的远距离物体位姿参数识别。

如图1所示，所述的激光探测标靶2或激光探测标靶板9通过后续连接电路4与单片机3相连接，该单片机3分别输出接口6相连接。完成对线形光斑的感应、位置识别、数据显示和数据存储输出等功能。

如图2-3所示，所述的激光发射器1发射扇形激光束，扇面角度可以根据需要设计定型，扇形激光束照到物体上形成的是一条具有较小宽度的线形光斑，激光束有效照明距离为150米。由于激光发射器1的线形光斑在长度方向上覆盖距离较大，而在宽度方向上覆盖距离极小，因而，用于线形光斑位置识别的掘进机机身位姿参数测量系统及方法中，使得激光探测标靶2或激光探测标靶板9可以在三维空间中进行单个维度的参数识别。所述激光探测标靶2与激光探测标靶板9采取以下技术手段加工制作：

光敏探测元件7无间隔紧密排列在电路板上，根据激光探测标靶2的设计长度取决于光敏探测元件7单列排布的数量，安装完成后，每个光敏探测元件7即具有了唯一的逻辑通道编号，而光敏探测元件7的单层排列方向即为位置识别的方向。激光探测标靶板9的设计长度与宽度取决于光明探测元件7点阵横纵向排布的数量，安装完成之后，同一层上的每个光敏探测元件7都有对应的唯一的逻辑编号，同一列的三个光明探测元件7在一条线上且逻辑编号相同。由于光敏探测元件7之间无间隔排列，即相邻的两个光敏探测元件7感光面中心之间的距离为10毫米，当线形光斑每移动5个毫米单位，光斑一边的一个光敏探测元件7就会由感光状态变成无感光状态，而光斑另一边的一个光敏探测元件7则会由无感光状态变成感光状态。因此，激光探测标靶2与激光探测标靶板9对线形光斑位置的分辨误差小于5毫米。

激光发射器1与激光探测标靶2或激光探测标靶板9的位置关系需满足激光探测标靶2或激光探测标靶板9在激光发射器1的射程范围之内，且需保证在激光探测标靶2单排方向与激光光斑相交并在激光探测标靶2感光面上的入射角为敏感角度，且需保证在激光探测标靶板9横向平铺安装位置与激光光斑相交并在激光探测标靶板9感光面上的入射角为敏感角度。本实施例为，固定激光发射器1，在照射距离范围内并满足其它操作要求下移动位于掘进机8机身上的激光探测标靶2或激光探测标靶板9，在掘进机8位姿变动过程中，进行对激光线形光斑位置识别从而得到掘进机8机身位姿参数解算。

如图4A所示，该系统运行后，当激光探测标靶2竖直放置在掘进机8机身上时，通过读取激光探测标靶2上形成的线形光斑距离激光探测标靶2标定零点的刻度值即可直观读出掘进机8机身的偏距位移。同样，通过后续连接电路4将激光探测标靶2与单片机3相连通过电信号感应出线形光斑位置，经过简单计算得到掘进机8机身偏距位移的数字信息，经过输出接口6可传送至其他有效设备。

如图4B所示，该系统运行后，当激光探测标靶板9横向平铺安装在掘进机8机身上时，根据激光探测标靶板9上投影的线形光斑距离激光探测标靶零点的横、纵刻度值读数即可直观得知掘进机机身的偏距位移与航向角参数。同样，由光敏探测元件7点阵组成的激光探测标靶板9可感应出线形光斑的横向、纵向位移并产生电信号，利用单片机3采集计算，可得知激活的光敏探测元件7的位置坐标，即可得到此时线形光斑距离激光探测标靶板9标定零点的横、纵向距离，从而得到掘进机8的航向角和偏距位移位姿参数。同时利用安装在掘进机后机架10上的双轴倾角传感器5可得知掘进机8机身的翻滚角与俯仰角参数，最后掘进机8机身的位姿信息参数可通过输出接口6传送至其它有效设备。本系统对掘进机航向角和偏距位移的分辨误差分别小于0.1度和5厘米。测量模型的示意图如图5A、5B所示，其中：

O点——掘进机机身中点；

A点——测量偏距时线形激光束在激光探测标靶上的落点

N点——测量航向偏角时线形激光束在激光探测标靶上横向的落点；

M点——测量航向偏角时线形激光束在激光探测标靶上纵向的落点

P点——激光发射器的安装位置；

d——光敏探测元件的直径；

L——线激光发射器的安装位置偏离巷道中线的距离大小(如果线激光发射器正好位于巷道正中，那么L＝0)

利用图5A与图5B对机身的航向角、偏距位移进行计算，可得到如下结果：

H₁＝d·|OA|·cosε-L (a)

由于角度ε在实际工况中较小，可以忽略不计令其约等于零，即上式(a)可以简化为下式(b)

H₁＝d·|OA|-L (b)

注：若计算结果为正，表明：俯视时，机身中心点向巷道左帮平移。反之，表明向巷道右帮平移

注：若计算结果为正，表明：俯视时，机身逆时针方向偏转。反之，表明机身顺时针方向旋转。

H₂＝d·|ON|·cosα-L (d)

注：若计算结果为正，表明：俯视时，机身中心点向巷道左帮平移。反之，表明向巷道右帮平移。

利用公式(b)、(c)、(d)，即可获知机身航向角α、机身偏距位移H两个掘进机8机身位姿参数。

注：H₁与H₂均为测得的机身偏距位移参数H。H₁为使用激光探测标靶2测得的机身偏距位移参数，H₂为使用激光探测标靶板9测得的机身偏距位移参数。

双轴倾角传感器5安装在掘进机后机架10内，双轴倾角传感器5的角度测量方向可以分别反映掘进机8机身平面与水平面在机身纵方向上的绝对夹角，即机身翻滚角位姿参数，机身平面与水平面在机身横向上的绝对夹角，即机身俯仰角位姿参数。

所述的激光探测标靶2或激光探测标靶板9对扇形激光束投影成的线形光斑有良好的识别能力，不受其它光线的影响。这是因为激光探测标靶2与激光探测标靶板9的光敏探测元件7有开关的功能。光敏探测元件7对光强的选择是当光强小于35勒克斯时，激光探测标靶2或激光探测标靶板9不感应产生电流，此时处于关闭状态；当光强大于35勒克斯时，激光探测标靶2或激光探测标靶板9感应产生电流，并随着光强的增大，电流增大，当电流增大到20毫安时就会保持这个值而不再增大，在这个过程中，光敏探测元件7为打开状态。

当只需测量掘进机8机身偏距位移参数的情形下所实施的步骤为：

(1)启动激光发射器1，线激光发射器1发射扇形激光束到掘进机8上的激光探测标靶2上。

(2)激光探测标靶2上单向布列的光敏探测元件7感应线形光斑，产生电流信号传送至单片机3。

(3)单片机3利用公式(b)计算出掘进机的偏距位移位姿参数，再根据输出接口6外接存储设备即可得到掘进机的机身位姿参数。

当需测量掘进机8机身各项位姿参数的情形下所实施的步骤为：

(1)启动激光发射器1，线激光发射器1发射扇形激光束到掘进机8上的激光探测标靶板9上。

(2)激光探测标靶板9上光敏探测元件7点阵感应线形光斑，产生电流信号传送至单片机3。

(3)掘进机后机架10内安装的双轴倾角传感器5分别测量掘进机8机身俯仰角和滚动角参数。

(4)单片机3利用公式(c)和公式(d)计算出掘进机的偏距位移和航向角参数，再根据输出接口6外接存储设备即可得到掘进机机身的各项位姿参数。

上述如此结构构成的本发明掘进机机身位姿参数测量系统及其方法的技术创新，对于现今同行业的技术人员来说均具有许多可取之处，而确实具有技术进步性。

如上所述是本发明的基本构思。但是，在本发明的技术领域内，只要具备最基本的知识，可以对本发明的其他可操作的实施例进行改进。在本发明中对实质性技术方案提出了专利保护请求，其保护范围应包括具有上述技术特点的一切变化方式。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种线形光斑识别的掘进机机身位姿参数测量系统及方法，其特征在于：包括有掘进机(8)、激光发射器(1)、激光探测标靶(2)、单片机(3)、后续连接电路(4)、双轴倾角传感器(5)、输出接口(6)、光敏探测元件(7)和激光探测标靶板(9)。

――激光发射器(1)，该激光发射器发出扇形激光束，以在激光探测标靶(2)上形成线形光斑；

――激光探测标靶(2)，由多个光敏探测元件(7)单排无间隔依次紧密布列在电路板上组成，可用于感应线形光斑并产生电信号，板上具有刻度标识来方便直观读数，激光探测标靶(2)表面有防尘保护隔层可用以保护光敏探测元件(7)；

――后续连接电路(4)和单片机(3)，用于处理激光探测标靶(2)产生的电信号，计算得到线形光斑在竖直放置的激光探测标靶(2)上距离标定零点的偏距位移，当激光探测标靶板(9)横向平铺放置时，由光敏探测元件(7)点阵组成的激光探测标靶板(9)感应出线形光斑的横向、纵向位移并产生电信号，通过单片机(3)简单计算则可知道掘进机(8)机身的航向偏角参数；

――双轴倾角传感器(5)，安装在掘进机(8)机身上，用于测量掘进机的俯仰角和翻滚角的位姿参数；

――输出接口(6)，用于把激光光斑位置数据传输至其它设备；

――激光探测标靶板(9)，由光敏探测元件(7)点阵无间隔依次布满电路板组成，用于感应线形光斑并产生电信号，板上具有横纵向的刻度标识来方便直观读数，激光探测标靶板(9)表面有防尘保护隔层可用以保护光敏探测元件(7)；

其中，激光探测标靶(2)通过后续连接电路(4)与单片机(3)相连接，该单片机(3)与输出接口(6)相连接。

2.根据权利要求1所述的一种线形光斑识别的掘进机机身位姿参数测量系统及方法，其特征在于其中所述的激光发射器(1)发出扇形激光束，可在激光探测标靶(2)或激光探测标靶板(9)上形成线形光斑，激光束有效射程距离为150米。

3.根据权利要求1所述的一种线形光斑识别的掘进机机身位姿参数测量系统及方法，其特征在于其中所述的激光探测标靶(2)由多个光敏探测元件(7)单层排阵列在电路板上所组成，光敏探测元件(7)之间紧密排列，激光探测标靶(2)中心具有标定零点，每隔10毫米有距离标尺以方便直观读数。

4.根据权利要求1所述的一种线形光斑识别的掘进机机身位姿参数测量系统及方法，其特征在于其中所述的激光探测标靶板(9)由光敏探测元件(7)点阵布满在电路板上所组成，光敏探测元件(7)之间无间隔紧密排列，激光探测标靶板(9)具有横、纵向刻度标定，每隔10毫米有距离标尺以方便直观读数。

5.根据权利要求4所述的一种线形光斑识别的掘进机机身位姿参数测量系统及方法，其特征在于其中所述的激光探测标靶(2)，每个光敏探测元件(7)都有对应的唯一的逻辑通道编号，用以相互区分通讯信号。

6.根据权利要求1-5所述的一种线形光斑识别的掘进机机身位姿参数测量系统及方法，其特征在于其中所述的激光探测标靶(2)或激光探测标靶板(9)均为单个使用，满足测量精度需求。

7.根据权利要求1-6所述的一种线形光斑识别的掘进机机身位姿参数测量系统及方法，其特征在于其中所述的激光探测标靶(2)与激光探测标靶板(9)对激光线形光斑位置识别误差小于5毫米。

8.根据权利要求4-5所述的一种线形光斑识别的掘进机机身位姿参数测量系统及方法，其特征在于其中所述的光敏探测元件(7)对光强的选择是当光强小于35勒克斯时，激光探测标靶(2)或激光探测标靶板(9)不感应产生电流，此时处于关闭状态；当光强大于35勒克斯时，激光探测标靶(2)或激光探测标靶板(9)感应产生电流，并随着光强的增大，电流增大，当电流增大到20毫安时就会保持这个值而不再增大，在这个过程中，激光探测标靶(2)或激光探测标靶板(9)为打开状态。

9.根据权利要求1-8所述的一种线形光斑识别的掘进机机身位姿参数测量系统及方法。其特征在于其中所述的激光探测标靶(2)与激光探测标靶板(9)通过寄存器和定时器来保存数据和设定保存时间，然后不断替换保存当前下一次的数据，以保证所需的数据采集时间；另外，该数据保持功能可以防止因掘进机(8)机身的抖动而产生的数据干扰，保证数据的稳定性。